單晶硅的制備方法簡介及其中物理過程解釋

摘要：制造太陽能電池的半導體材料已知的有十幾種，因此太陽電池的種類也很多。目前，技術最成熟，并具有商業(yè)價值的太陽電池要算硅太陽能電池。而太陽能電池性能的好壞全依賴于電池的核心部件硅材料性能的好壞。硅材料分為單晶硅、多晶硅、鑄造硅以及薄膜硅等許多形態(tài)。雖然形態(tài)不一制作方法不盡相同，但是實現(xiàn)的目的是一樣的。都是盡可能多的將太陽光的光能轉化為電能。硅是地球上儲藏最豐富的元素之一。自從上個世紀科學家們發(fā)現(xiàn)了晶體硅的半導體特性后，硅材料便幾乎改變了一切，甚至人類的思維，二十世紀末，我們的生活中處處可見硅的身影和作用，晶體硅太陽電池是近幾十年來形成產業(yè)化最快的。生產過程大致可分為五個步驟：（a）提純過程（b）拉棒過程（c）切片過程 （d）制電池過程 （e）封裝過程。本文就單晶硅的制備略作討論。

一、引言

當光線照射太陽電池表面時，一部分的光子被硅原子吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了躍遷，成為自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差，當硅板外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電子的定向移動形成電流流過外部電路從而產生一定的輸出功率。這個過程的實質是：光能轉換成電能的過程。

太陽能光伏發(fā)電技術是利用太陽能電池組件接收太陽光，電池的半導體屬性將太陽光轉換為電勢能并通過后續(xù)的儲能裝備存儲后加以利用的一項便捷的能源轉換技術。由于太陽光的持續(xù)性及無污染性，光伏發(fā)電是可再生能源與清潔能源的代表，也是未來可持續(xù)發(fā)展新能源開發(fā)的最具期待性的技術。作為儲存轉換后的電能的蓄電池的性能已經成為本項技術的一個關鍵性的難題，后續(xù)的控制電路部分也關系著整個光伏系統(tǒng)的運行狀態(tài)。本文討論的是太陽能電池的關鍵也是核心部件硅材料的制備，硅材料

二、晶體硅太陽電池的制作過程

單晶硅材料制造要經過如下過程：石英砂-冶金級硅-提純和精煉-沉積多晶硅錠-單晶硅-硅片切割。晶體硅太陽電池是近幾十年來形成產業(yè)化最快的。生產過程大致可分為五個步驟：（1）提純過程 （2）拉棒過程 （3）切片過程（4）制電池過程 （5）封裝過程。本文討論的單晶硅制作主要在提純過程和拉棒過程。其他內容以后再進行探討。

1.提純過程：提純過程可以簡單的描述為將普通的含有大量雜質的硅熔融再進行結晶從而得到純度很高的硅材料的過程。這個高的純度通常在99.9999%以上。結晶過程可以近似為等溫等壓過程。根據(jù)熱力學系統(tǒng)自由能理論，當系統(tǒng)的變化時系統(tǒng)的自由能減少時，過程才能進行下去。當溫度大于晶體的熔點Tm時，液態(tài)自由能GL低于固態(tài)自由能GS，從液態(tài)向固態(tài)的變化，自由能增大，結晶不能進行下去；當溫度小于晶體的熔點Tm時，液態(tài)自由能GL高于固態(tài)自由能GS。從液態(tài)向固態(tài)的變化，自由能減小，結晶就能自發(fā)進行下去。而在結晶進行之前必須先形成晶核，晶核的形成也有許多種，但為了保證硅的純度通常只能加入已經提純了的硅或者等待其自發(fā)形成晶核。晶體融化成液態(tài)后，作為宏觀的固態(tài)結構已被破壞，但在液體中的近程范圍內仍然存在著規(guī)則排列的原子團，這些原子團由于原子的熱運動瞬間聚集瞬間又散開，這種原子在極小范圍內的有序集聚稱為晶坯。由于晶坯的存在，液態(tài)結構與氣態(tài)相比，液態(tài)更接近固態(tài)。一旦熔體具有一定的過冷度，晶坯就會長大，當晶坯長大到一定尺寸時，就成了晶核。晶核是晶體生長最原始的胚胎（生長點）， 是極微小的微晶粒，是晶體成長的中心。

2.拉棒過程：即生長成棒，這也包含了幾種方法如區(qū)熔法、直拉法、磁拉法和多次加料法等。

區(qū)熔法是按照分凝原理進行材料提純的。雜質在熔體和熔體中已結晶的固體的溶解度是不一樣的。開始結晶的頭部樣品集中了雜質而尾部雜質量少。

直拉法硅單晶的生長，是將硅原料連同所需摻入的雜質，熔化在石英坩堝中，然后在熔點溫度下，用晶種（籽晶）引出，逐漸長大而拉制成功的。讓熔體在一定的過冷度下，將籽晶作為唯一的非自發(fā)晶核插入熔體，籽晶下面生成二維晶核，橫向排列，單晶就逐漸形成了，但是要求一定的過冷度，才有利于二維晶核的不斷形成，同時不允許其他地方產生新的晶核。熱場的溫度梯度的變化必須滿足這個要求。

磁拉法基本原理為：在熔體施加磁場后，則運動的導電熔體體元受到洛倫茲力的作用。使得熔體的粘滯增大。

連續(xù)加料法：實際上就是在直拉法的基礎上開發(fā)出能夠最低限度帶入污染的加料方法，使得拉制單晶硅的成本降低。連續(xù)加料包括液態(tài)加料和固態(tài)加料。液態(tài)加料的連續(xù)加料裝置包括兩個獨立的爐子，其間由一石英管連接在一起。依靠虹吸管的原理，熔液由一邊的熔化爐輸送到另一邊的拉晶爐。加料的速度由兩個坩堝的高度差來控制。固態(tài)加料法是直接將固態(tài)多晶硅原料加入石英坩堝。這些系統(tǒng)使用石英擋板來隔開晶體生長區(qū)域及多晶硅原料熔化區(qū)，以避免多晶硅原料影響固液界面溫度的穩(wěn)定性。因此生產上一般把擋板延伸至晶棒下方，創(chuàng)造出雙坩堝的作用，以維持晶體生長區(qū)域的熔解量可維持固定，固態(tài)多晶硅原料是采用塊狀多晶。

三、總結與展望

單晶硅是目前太陽能電池材料中光能轉化為電能效率最高的半導體材料，同時制造單晶硅的成本也是所有半導體材料中最高的。太陽能發(fā)電已經進入了一個發(fā)展的瓶頸階段。我們期待光伏產業(yè)有進一步的突破，使地球上普及太陽能應用的時代早日來臨。

參考文獻：

[1]尹建華，李志偉.半導體硅材料基礎[M].化學工業(yè)出版社，2009.

[2]徐岳生等.磁場直拉單晶硅生長[J].河北工業(yè)大學材料學院，2006.

（作者簡介：陶炎芬（1984-），女 ，江西九江人，江西省九江職業(yè)大學信息工程學院，研究方向：光伏電子；舒 展（1982-），女 ，江西九江人，江西省九江職業(yè)大學信息工程學院，研究方向：軟件工程。）